基于MIKE21 二維水動力模型的天井湖湖區(qū)洪水流場流速分布研究

王 江 張 鵬

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 230601）

1 湖泊概況

天井湖為淮河流域蘇皖省界湖泊，湖區(qū)跨安徽省五河縣和江蘇省泗洪縣，總面積35.5km2。天井湖總流域面積791km2，其中上游石梁河匯水面積681km2，湖周邊友誼溝、史王溝等大溝匯入，區(qū)間匯水面積110km2。天井湖下游在五河縣大楊村附近通過天井湖引河匯入懷洪新河。

分析天井湖行洪期的流場和流速，對天井湖行洪通道的劃定和管理、以及湖區(qū)水域岸線的開發(fā)利用有重要的意義。本文采用MIKE21 對天井湖湖區(qū)進(jìn)行建模并分析計(jì)算。

2 計(jì)算方法及原理

MIKE21 軟件模擬二維洪水演進(jìn)的技術(shù)比較成熟，已在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。MIKE21 水流模擬基于的控制方程是不可壓流三維雷諾Navier-Stokes平均方程沿水深積分的連續(xù)方程和動量方程，在笛卡爾坐標(biāo)系中可用如下方程表示：

連續(xù)性方程：

X 方向動量方程：

Y 方向動量方程：

式中：t 為時間；x，y，z 為右手Cartesian 坐標(biāo)系；d 為靜止水深；h=η+d 為總水深；η 為水位；u，v分別為流速在x，y 方向上的分量；f 為科氏力系數(shù)f=2Ωsinθ，Ω為地球旋轉(zhuǎn)的角頻率，θ為當(dāng)?shù)氐木暥?；ρ為水的密度；?為參考水密度為地球自轉(zhuǎn)引起的加速度；Sxx，Sxy，Syx和Syy為輻射應(yīng)力分量；Txx，Txy，Tyx和Tyy為水平粘滯應(yīng)力項(xiàng)；Pa為當(dāng)?shù)氐拇髿鈮?；S 為源匯項(xiàng)（us，vs）源匯項(xiàng)水流流速。τsx，τsy為風(fēng)場摩擦力在x，y 上的分量；τbx，τby為底床，摩擦力在x，y 上的分量。

3 模型的建立

3.1 水文分析

天井湖是以除澇功能為主的湖泊，天井湖引河閘、打雁劉圩堤的設(shè)防水位均為20 年一遇。天井湖引河閘下楊庵水文站于2018 年8 月設(shè)立，至今觀測資料尚未匯編。天井湖主要匯水面積為安徽境內(nèi)淮北平原，安徽省淮北地區(qū)除澇水文計(jì)算，歷來均采用由設(shè)計(jì)暴雨通過產(chǎn)、匯流推算的方法?，F(xiàn)行采用的計(jì)算辦法為《安徽省淮北地區(qū)除澇水文計(jì)算辦法》（1981 年）（以下簡稱《安徽省計(jì)算辦法》）。《安徽省計(jì)算辦法》是目前淮北骨干河道、邊界工程及排水區(qū)除澇水文計(jì)算的主要依據(jù)，在多年來治淮工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)中被廣泛采用。

根據(jù)《安徽省計(jì)算辦法》，淮北地區(qū)三天點(diǎn)暴雨均值為125mm，CV=0.55，CS=3.5CV。經(jīng)分析，20 年一遇設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨262mm。天井湖匯水面積791km2，采用點(diǎn)雨/面雨折算系數(shù)0.861。天井湖20 年一遇設(shè)計(jì)暴雨226mm。

“70 年北京對口成果”設(shè)計(jì)Pa 值采用：3～5 年一遇為45mm，10～20 年一遇用55mm。同時把淮北降雨徑流關(guān)系劃分為4 個區(qū)，提出了相應(yīng)的降雨徑流關(guān)系線，天井湖均處于a 區(qū)，采用1 號線。降雨徑流關(guān)系見表1。

表1 安徽省淮河流域淮北平原洼地降雨徑流關(guān)系表

根據(jù)《淮北除澇水文計(jì)算方法》，淮北平原地區(qū)規(guī)劃統(tǒng)一采用K=0.026，排水流量按公式Q=0.026RF0.75 計(jì)算，20 年一遇乘0.85。天井湖集水面積為791km2，20 年一遇入庫設(shè)計(jì)流量為580m3/s。

3.2 邊界條件

本模型閉邊界為陸地邊界，開邊界為石梁河入天井湖口及天井湖入懷洪新河開口。不考慮天井湖調(diào)蓄，天井湖20 年一遇入湖和出湖設(shè)計(jì)流量為580m3/s。1991 年、1996 年天井湖水位均在16.3m以上，2003 年7 月10 日實(shí)測天井湖閘閘上水位16.47m。從歷史情況看，天井湖歷次高水位均與懷洪新河分洪相關(guān)。因此，本次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算均考慮懷洪新河分洪工況。

3.3 糙率

天井湖歷次規(guī)劃均沒有提出糙率，通過查閱現(xiàn)場調(diào)研資料、相關(guān)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)及各種相關(guān)書籍資料，對于灘地具有樹木、高桿植物的河灘，糙率可選0.032～0.035。天井湖現(xiàn)狀灘地有較多圍網(wǎng)養(yǎng)殖和圈圩，糙率應(yīng)適當(dāng)加大。本次天井湖在進(jìn)行洪水模擬的過程中，模型中糙率選用0.035。

3.4 網(wǎng)格概化

MIKE21 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型采用非結(jié)構(gòu)有限體積法離散控制方程。有限體積法中使用的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格通常由三角形或四邊形網(wǎng)格組成，為了準(zhǔn)確擬合曲折的岸邊界，一般采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。本

（查表用內(nèi)插法計(jì)算可得20 年一遇R=176mm）次采用邊長約20～60m 的三角形作為計(jì)算網(wǎng)格，總共劃分4099 個網(wǎng)格。模型網(wǎng)格劃分如圖1。

圖1 網(wǎng)格劃分及地形分布示意圖

3.5 時間步長

時間步長是模型迭代計(jì)算的時間線段長度，時間步長越小計(jì)算精度越高，但是計(jì)算機(jī)負(fù)載也相應(yīng)加重。此次利用有限體積法計(jì)算三角網(wǎng)格的水流模擬時，采用30s 作為最大時間步長，0.01s 作為最小時間步長。

4 流場和流速分析結(jié)果

4.1 流場和流向分布

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，天井湖除湖灣死角和石梁河入湖段外，其余洪水流態(tài)較為均勻，沒有出現(xiàn)范圍較大的回流區(qū)，見圖2。但是在天井湖引河入湖段產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的洪水流態(tài)不均勻的情況。洪水流向偏差角度高達(dá)±47°，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查核實(shí)，現(xiàn)狀石梁河入天井湖口圈圩養(yǎng)殖情況比較嚴(yán)重，對洪水流態(tài)造成了不利影響。此外，天井湖引河處的流向偏差角度達(dá)±23°，但沒有出現(xiàn)明顯的紊流狀態(tài)，考慮是局部洪水轉(zhuǎn)彎半徑較小導(dǎo)致。

圖2 天井湖洪水流向等勢線示意圖

4.2 流速分布

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，石梁河最大流速為0.47m/s，天井湖引河流速1.16m/s，除石梁河段和天井湖引河段以外，石梁河洪水在天井湖內(nèi)流速較小，絕大部分湖區(qū)流速小于0.2m/s，最大流速均小于0.5m/s。見表3 和圖3～圖5。

圖3 天井湖湖區(qū)流速分布示意圖

圖4 石梁河入口流速分布細(xì)部圖

圖5 天井湖引河流速分布細(xì)部圖

表2 天井湖湖區(qū)流速向偏差角度分布表

表3 天井湖湖區(qū)流速分布情況表

5 結(jié)論及建議

通常將流線一致、流場均勻和流速較大的湖區(qū)范圍劃定行洪通道。天井湖行洪通道區(qū)域較為狹窄，其中在石梁河入口和天井湖引河均為行洪通道，在湖區(qū)范圍的行洪通道寬度約為200～400m。其余部分基本沒有流速分布。

從計(jì)算結(jié)果看天井湖湖區(qū)在20 年一遇洪水工況下除天井湖引河外，其洪水流速較為緩慢。但是天井湖引河流速較大，局部流速超過1.16m3/s。建議采取一定的防沖刷措施。

石梁河入口處由于現(xiàn)狀湖泊圈圩養(yǎng)殖情況比較嚴(yán)重，在遭遇20 年一遇洪水時洪水流場不均、流向分布混亂，對行洪造成了較大阻礙，建議對圈圩進(jìn)行清理，恢復(fù)行洪通道的暢通。

6 結(jié)語

在編制湖泊保護(hù)規(guī)劃時，需要對湖區(qū)行洪通道進(jìn)行劃定，對洪水的流向和流態(tài)分布進(jìn)行研究。采用MIKE21 二維水動力模型可以直觀分析出設(shè)計(jì)洪水下的天井湖湖區(qū)的流場和流速分布，同時可以通過圖像直觀表達(dá)，便于迅速找出問題存在的部位，分析問題的影響。

天井湖是蘇皖省界湖泊，對天井湖的治理開發(fā)和保護(hù)應(yīng)遵循保護(hù)優(yōu)先、兩省均衡、協(xié)商一致的原則。天井湖目前洪水流態(tài)不會產(chǎn)生較大問題，但是局部流態(tài)紊亂現(xiàn)象明顯，建議對影響行洪通道暢通的圈圩和圍網(wǎng)應(yīng)盡早開展集中整治■